DE102020122939A1

DE102020122939A1 - Modulare Vorrichtung zur Mikroalgengewinnung

Info

Publication number: DE102020122939A1
Application number: DE102020122939.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Ihlow; Gabriele Tübbecke; Reinhard Weber
Original assignee: WEBER GmbH
Current assignee: WEBER GmbH
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Vorrichtung zur Gewinnung von Mikroalgen (Phytoplankton), umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Boden, und drei oder mehr Seitenwänden und einer Decke, welche zwischen sich einen Gehäuseinnenraum (20) definieren, der mittels einer Mehrzahl alternierend angebrachter Trennwände (21), welche jeweils Innwandungen des Gehäuses (2) an höchsten drei ihrer Seiten berühren, derart unterteilt ist, dass eine in dem Gehäuse Inneren (20) von einem Einlass (22) zu einem Auslass (23) fließende Nährlösung ein mäandernder Strömungspfad vorgegeben ist, wobei die Nährlösung durch den Einlass (22) in das Gehäuseinnere (20) ein und aus dem Auslass (23) aus dem Gehäuseinneren (20) wieder herausströmt, wobei die Vorrichtung (1) aus zwei oder mehr Modulen (3) besteht, von denen jedes über ein eigenes Modulgehäuse (31) verfügt und wobei jede Trennwand (32) einem Modul (3) zugeordnet ist, und jedes Modul mit einer Seite seines Gehäuses (31) ein benachbartes Modul berührt, sein Moduleinlass (32) entweder der Einlass (21) ist oder an ein Modulauslass (33) eines oder mehrerer vorausgehender benachbarter Module (3) gekoppelt ist, so dass der gesamte oder ein Teil des Nährlösungsstroms aus denen oder dem vorausgehenden benachbarten Modul in das Modul (3) übertreten kann, und sein Modulauslass (33) entweder der Auslass (23) ist oder mit dem Einlass mindestens eines nachfolgenden benachbarten Moduls (3) gekoppelt ist, so dass der gesamte oder ein Teil des Nährlosungsstroms aus dem Modul (3) in das nachfolgende benachbarte Modul (3) übertreten kann.

Description

Vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer Modularen Vorrichtung zur Gewinnung von Mikroalgen umfassend ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, welche in Gehäuseseiten, nämlich Boden, einer Decke und drei oder mehr Seitenwänden angeordnet sind, wobei die Gehäuseseiten einen Gehäuseinnenraum umschließen, der mittels einer Mehrzahl an alternierend angebrachter Trennwände, welche jeweils eine Innenwandung des Gehäuses an höchstens drei Seiten berühren, derart unterteilt ist, dass einem das Gehäuseinnere vom Einlass zum Auslass durchfließenden Nährlösungsstrom ein mäandernder Strömungspfad vorgegeben ist, wobei der Nährlösungsstrom durch den Einlass in das Gehäuseinnere und aus dem Auslass aus dem Gehäuseinneren herausströmt.
Mikroalgen, nachfolgend abkürzend sich durch Lichteinfluss vermehrende Mikroalgen (Phytoplankton) verwendet, sind von hohem und weiterwachsendem wirtschaftlichen Interesse. Zum einen besitzen sie einen hohen Anteil an Mineralstoffen und Spurenelementen, Vitaminen, ungesättigten Fettsäuren sowie Kohlehydraten, die sie zur Verwendung als Nahrungsmittel oder Nahrungsmittelbestandteil geeignet erscheinen lassen. Auch werden sie häufig als Zusatzstoffe in Kosmetika oder in der Medizin und Pharmazie als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt. Hier finden sie neben der Beigabe als eine Komponente auch als Material zur Herstellung von Kapseln Verwendung.
Weiterhin sind sie aus unter dem Gesichtspunkt der CO₂ Fixierung interessant, denn beim Wachstum der Photosynthese betreibenden Mikroalgen wird atmosphärisches CO₂ gebunden und so der Atmosphäre entzogen. Zudem entsteht als „Abfallprodukt“ der Photosynthese bekanntermaßen das für die Fauna, also unter anderem uns Menschen, lebenswichtige Atemgas Sauerstoff. Darüber hinaus liegt ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet von Mikroalgen in der Gewinnung von Biotreibstoffen oder auch von Wasserstoff.
Ein Vorteil, den die Kultivierung von Algen im Vergleich zum Anbau von Nutzpflanzen in der üblichen Weise auf einer Land- oder Ackerfläche haben, ist der hohe Flächenertrag und vergleichsweise geringe Wasserverbrauch. Sie stehen damit kaum in Konkurrenz zum Anbau von Pflanzen und können auch dort kultiviert werden, wo keine Landwirtschaft möglich wäre. Da der Anbau auch unter verschiedensten Gravitationsverhältnissen als möglich nachgewiesen wurde, stellen Mikroalgen auch ein interessantes, vor Ort produzierbares Nahrungs- oder Nahrungsergänzungsmittel für die bemannte Weltraumfahrt dar. Eine weitere mögliche Anwendung ist der Einsatz von bestimmten Algentypen in der Medizin zur Bindung und Ausleitung von Schwermetallen aus dem Körper.
Ein Problem bei der wirtschaftlichen Nutzung des vielfältigen Potentials welches Mikroalgen besitzen, ist ihre effiziente großtechnische Herstellung. Bekannte Vorrichtung zur Kultivierung und Vermehrung von Mikroalgen, welche auch als Photobioreaktoren bezeichnet werden, nutzen für das Wachstum und die Vermehrung Kohlendioxyd und Sonnenlicht, um den Energiestoffwechsel der Algen, welche auf Photosynthese beruht, zu betreiben und die Vermehrung zu fördern. Hierbei durchströmt eine die Algen enthaltene Nährstofflösung den Bioreaktor in von Sonnenlicht durchschienen Glasröhren. Aufgrund der nötigen Wachstumszeit bei der, ohne Lichtkonzentration, begrenzten spezifischen Beleuchtungsstärke der Algen müssen jedoch entweder sehr viele oder sehr große Reaktoren verwendet werden, oder die Nährlösung muss mehrmals durch einen kleineren Bioreaktor geleitet werden, was als geschlossener Betrieb bezeichnet wird.
Weiterentwicklung solcher Photobioreaktoren sind aus den Veröffentlichungsschriften DE10 2008 026 829 A1 der Alge Oil GmbH & Co. KG, der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO2015/032389 A1 der Anmelderin bekannt. Die wesentlichen Verbesserung bestehen hierbei darin, dass bei einer gegebenen Reaktorlänge der Weg der Nährlösung mit den Algen durch den Reaktor möglichst maximiert wird, wobei durch strategische Platzierung von alternierend an Boden und Decke angebrachter Trennwände sowie longitudinale verlaufender, mit Ausnahme von Öffnungen am Ende durchgehende Trennwände der mäandernd durch das Reaktor innerströmende Nährstofflösung maximiert wird, so dass diese möglichst lange im Reaktor verbleibt und die Algen somit in Summe einer möglichst großen zeitintegrierten Beleuchtungsstärke ausgesetzt sind. Zusätzlich wird dort vorgeschlagen, das Licht nicht nur durch Bodendecke oder Seitenwände des Reaktorgehäuses einzubringen, sondern zusätzlich die Trennwände als transparent oder zumindest transmissiv auszuführen, so dass über sie Licht aus Lichtsammelelementen oder Lichtquellen in das Innere des Reaktors geführt werden kann.
Die Offenlegungsschrift 10 2016 123 980 A1 der Anmelderin schlägt eine Mikroalgengewinnungsvorrichtung vor, die durch interne longitudinale Trennwände den Weg der Nährlösung durch das Innere der Vorrichtung für einen gegebenen Volumenstrom weiter verlängert und so umgekehrt eine kompaktere Bauform für eine gewünschte innerhalb der Vorrichtung zurückgelegten Wegstrecke ermöglicht.
Der Nachteil der bisher bekannten Vorrichtungen liegt darin, dass die dort verwendeten Reaktorgehäuse vergleichsweise sperrig und schwer sind, so dass der Aufbau von Mikroalgenproduktionsanlagen nur mit maschineller Unterstützung möglich ist. Zudem fällt bei einem Defekt nur eines Teils des Reaktors der komplette Reaktor aus und muss aufwendig entleert und repariert werden. Eine nachträgliche Veränderung der Reaktorgröße und Anpassung an die Wachstumszeit oder Lichtmengenbedürfnisse unterschiedlicher Algenspezies ist ebenfalls nicht leicht möglich, da bei bekannten Vorrichtungen hierfür im Allgemeinen ein neues Gehäuse mit geänderten Abmessungen gefertigt werden muss.
Vor diesem Hintergrund hat sich vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, die bekannten Mikroalgengewinnungsvorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass sie leichter installier- und deinstalliersowie einfacher und kostengünstiger wart- und reparierbar sind und leichter in ihren Abmessungen und der im Reaktor zurückgelegten Weglänge an die Anforderung unterschiedlicher Algenspezies anpassbar sind.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine modulare Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1-13, welche aus Modulen gemäß der Ansprüche 14 - 16 aufgebaut ist.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, das Gehäuse eines Bioreaktors aus zwei oder mehr kleineren Modulen aufzubauen, von denen jedes seine eigenen Modulwände sowie Modulboden und -decke aufweist, welche einen Modulinnenraum umschließen, durch welchen von einem Moduleinlass zu einem Modulauslass ein Nährstofflösungsstrom fließt. Dieser wird durch den Modulinnenraum und der Teilung der Trennwände, von denen jede die Modulinnenwandung an höchsten drei Seiten berühren oder mindestens eine Durchgangsöffnung für die Nährlösung aufweisen, auf einen mäandernden Strömungspfad gezwungen.
Um eine Kopplung, beispielsweise eine lineare Hintereinanderschaltung, auf welche weiter unten noch weiter eingegangen werden soll, realisieren zu können, ist ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Module, das Moduleinlass und Modulauslass an verschiedenen Seiten, angeordnet sind. So kann der Moduleinlass an einer und der Modulauslass an einer anderen Seitenwand angeordnet sein. Alternativ können auch der Moduleinlass in der Decke und der Modulauslass in einer Seitenwand oder dem Boden eines Moduls angeordnet sein.
Die Module werden so zusammengestellt, dass benachbarte Module sich an einer Seitenwand berühren. Um eine mechanisch stabile Anordnung zu erhalten, können die Module entweder von einem Rahmen oder einem Spanngurt umschlossen und zusammengehalten werden. Alternativ oder zusätzlich können die Module auch auf Schienen montiert sein, welche auf einem geeigneten Unterbau, entweder einem Rahmen oder direkt auf dem Boden einer Produktionsstätte, festgelegt sind. Weiterhin alternativ oder auch zusätzlich können benachbarte Module auch an den sich berührenden Seiten mechanisch gekoppelt sein, etwa über eine Steck- oder auch Nute und Federverbindung.
Die strömungstechnische Verschaltung dieser einander berührenden, zu einer mechanisch stabilen Anordnung zusammengefassten Module einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. In jedem Fall ist mit Ausnahme einer Menge von ersten- oder Anfangsmodulen für jedes Modul der Moduleinlass mit dem Modulauslass eines oder mehrerer vorausgehender benachbarter Module gekoppelt. Gleichermaßen ist für alle Module mit Ausnahme einer Menge von letzten oder Endmodulen der Modulauslass mit dem Moduleinlass von einem oder mehreren nachfolgenden Modulen strömungstechnisch gekoppelt. Diese Kopplung kann, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, über Rohrleitung, direkt oder auch über einen freien Nährlösungsstrahl erfolgen. Aufgrund der Kopplung kann der Nährlösungsstrom, ggf. sich in mehrere Teilströme aufteilend, von einem oder mehreren vorausgehenden Modulen in ein Modul und von dem Modul wieder in eines oder mehrere nachfolgende benachbarte Module übertreten. Die Moduleinlässe der Anfangsmodule stellen gemeinschaftlich den oder die Einlässe der Vorrichtung dar. Gleichermaßen sind die Modulauslässe der Endmodule gemeinschaftlich der oder die Auslässe der Vorrichtung.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen modular aufgebauten Mikroalgenreaktors ist darin zu sehen, dass zum einen bei der Montage die jeweils vergleichsweise kleinen Module einzeln an den Errichtungsort gebracht und erst dort zu einer größeren Anlage zusammengesetzt werden können. Gleichermaßen ist hierdurch auch die Demontage am Ende der Lebens- oder der Betriebsdauer erleichtert.
Weiterhin kann bei einem auftretenden Defekt oder eine Beschädigung in vergleichsweise kurzer Zeit das betroffene Modul identifiziert, von seinen benachbarten Modulen abgekoppelt und gegen ein funktionierendes Modul ausgetauscht werden. Hierdurch ist die Reparatur der Anlage vorteilhaft beschleunigt und die Produktionsausfallzeiten sind verringert. Hierzu wird als vorteilhaft empfohlen, die Modulein- und auslässe aller Module mit einem Ventil auszustatten, so dass der Nährlösungsstrom der vorausgehenden Module und der nachfolgenden Module gestoppt und das beschädigte Modul ausgetaucht werden kann, ohne aus der gesamten Anlage die Nährlösung ablassen zu müssen.
Im Übrigen kann eine bestehende Anlage auch vergleichsweise einfach um weitere Module erweitert oder um einige Module verkleinert werden. Hierbei nötige Anpassungen der Zuleitungen zum Einlass oder den Einlässen der Vorrichtung und den Ableitungen, d. h. die Nährlösung aus der Vorrichtung wegführenden Leitungen, von dem Auslass oder den Auslässen der Vorrichtung zum Niederdruckeingang einer die Nährlösung durch die Vorrichtung betreibenden Pumpe könne ohne größeren Aufwand an die sich durch das Hinzufügen oder Entfernen einer oder mehrerer Module ändernden Messung der Vorrichtung angepasst werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen modularen Bauweise ist es nun auch möglich, vergleichsweise einfache und kleine Anlagen, welche mit geschlossenen Nährstofflösungskreislauf betrieben werden, aufzubauen. Diese können auf Wunsch später dann auf eine Anlagengröße erweitert werden, welche einen offenen Betrieb erlaubt. Dies ermöglicht eine bisher nicht gekannte Flexibilität in der Ausgestaltung von Mikroalgenproduktionsreaktoren.
Vorteilhafte Weiterbildung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sofern sie sich nicht gegenseitig offensichtlich ausschließen, sollen nachfolgend vorgestellt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind mindestens zwei der Module gleichartig ausgeführt, das bedeutet, sie haben die gleichen Abmessungen und die gleiche Bauform sowie gleiche Anordnung von Ein- und Auslass. Bevorzugt betrifft dies alle Module der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In jenem Fall sollte die Zahl der verschiedenartigen Module möglichst gering sein, um deren Herstellungsaufwand zu reduzieren. Eine Möglichkeit zur Minimierung der Anzahl verschiedener Module ebenfalls beiträgt, besteht darin, die Form und Abmessungen aller Module gleich zu wählen, jedoch die Positionierung der Auslässe unterschiedlich zu gestalten. Hierbei kann aus Zugängen, d. h. Ein- und Auslast, an gegenüberliegenden Stirnseiten oder auch an aneinanderstoßenden Stirnseiten angeordnet sein. Weitere Alternativen bestehen darin, den Auslass in einer Seitenwand, insbesondere im unteren Bereich einer Seitenwand sowie den Moduleinlass in der Moduldecke vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Module mit mehreren Zugängen zu versehen, beispielsweise Zugänge an mehr als zwei oder auch allen Seitenwänden, von denen die nichtbenötigten bei einem Zusammenbau der Module zur erfindungsgemäßen Vorrichtung durch entsprechende Verschlussmittel, beispielsweise einen Stopfen oder einer Dichtscheibe, verschlossen werden.
Weiterhin wird von der Erfindung vorgeschlagen, Modulzugänge, d. h. Ein- und Auslässe, alle gleichartig zu gestalten.
Obwohl im Rahmen der Erfindung auch Modulanordnungen mit sich verzweigenden Nährstofflösungsströmen realisiert werden können, ist eine besonders bevorzugte strömungstechnische Anordnung eine strömungstechnisch lineare Anordnung, also Reihenschaltung, bei der jedem Modul außer einem letzten Modul genau ein weiteres benachbartes Modul nachgeordnet ist, und jedem Modul außer einem ersten Modul genau ein vorhergehendes benachbartes Modul vorangeht. Modulein- bzw. auslässe benachbarter Module sind strömungstechnisch gekoppelt.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung werden die Module räumlich hintereinander angeordnet. Die räumlich lineare Anordnung kann mit einer strömungstechnischen Reihenschaltung verbunden werden, das bedeutet, dass die räumlich benachbarten Module auch strömungsmäßig hintereinander geschaltet sind. Dies hilft die zur Verbindung der Module nötigen Rohrleitungslängen zu minimieren und sorgt für einen einfachen, weniger komplexen Aufbau.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen haben die Module der erfindungsgemäßen Mikroalgenproduktionsvorrichtung eine quaderförmige Geometrie. D.h. das Gehäuse zumindest eines, bevorzugt aber aller, der Module haben eine Quaderform mit jeweils einem rechteckigen Boden und einer rechteckigen Decke von gleicher Fläche sowie zwei Paaren von gegenüberliegenden, gleich großen rechteckigen Seitenwänden, welche Boden und Decke miteinander verbinden.
Während der Boden ausnahmslos flüssigkeitsdicht ausgestaltet sein muss, kann die Decke in manchen Ausgestaltungen der Module durch Brechungen aufweisen, durch welche ein Gasaustausch stattfinden kann. Beispielsweise kann so neues CO₂ für Photosynthese aufgenommen und überschüssiger Sauerstoff (O₂) welcher in zu hoher Konzentration ein Wachstumshemmer für die Mikroalgen ist, an die Umgebungsluft abgegeben werden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der quaderförmigen Module berühren sich benachbarte Module an der großen Stirnseite der Quader. Dies hat den Vorteil, dass die mechanische Abstützung der Module eine stabilere Gesamtvorrichtung ergibt, als bei Berührungen an der mittleren oder kleinen Stirnseite.
Die Kantenlängenverhältnisse sind bevorzugt derart gewählt, dass die längsten Kanten im Vergleich zu den zweitlängsten, also den mittleren, Kanten ein Verhältnis von zwischen 1:1 bis 3:1, bevorzugt zwischen 4:3 und 2:1 besonders bevorzugt etwa 3:2 betragen. Die Verhältnisse der mittleren Kanten zu den kurzen Kanten des Quaders beträgt bevorzugt zwischen 1:1 und 10:1, besonders bevorzugt zwischen 2:1 und 6:1, insbesondere etwa 4:1.
Die Länge der langen Seiten der quaderförmigen Module liegt bevorzugt zwischen 10 und 200 cm, besonders bevorzugt zwischen 20 - 60 cm, insbesondere etwa 50 cm.
Die Modulzugänge, d.h. Modulein- und Modulauslass, sind bevorzugt an gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet. Dies sind insbesondere bevorzugt die kleinen Stirnseiten des quaderförmigen Moduls. Boden und Decke werden in bevorzugten Ausführungsformen durch die mittleren Quaderseiten gebildet. Die Seitenwände der großen Seiten stehen in bevorzugten Ausführungsformen über den Boden hervor, insbesondere um einen Aufnahmeraum für eine Schiene, an welcher das Modul mit einem Untergrund verbindbar ist, zu schaffen, wobei das Modul jedoch gleichzeitig auch auf den Unterkanten der großen Stirnseiten separat aufstellbar sein soll.
Die Kopplung von hinsichtlich des Strömungsverlaufs benachbarter Module, welche bevorzugt auch räumlich benachbart sind, kann auf drei verschiedene Arten erfolgen. Zum einen kann der Auslass eines vorausgehenden Moduls direkt an den Einlass eines nachfolgenden Moduls anstoßen, sodass keine zusätzlichen Stromführungsmittel zur Sicherstellung eines Flüssigkeitsübertritts benötigt werden. Einzig um die Dichtigkeit des direkten Anschlusses zu gewährleisten, kann es vorteilhaft sein, zwischen Einlass und Auslass der direkt gekoppelten benachbarten Module einen Dichtring einzufügen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Nährstofflösung als einen freien Flüssigkeitsstrahl aus einem Auslass eines Moduls austreten zu lassen, und den Einlass des strömungstechnisch nachfolgenden benachbarten Moduls unterhalb des Auslasses zu positionieren, sodass der aus dem Auslass tretende Nährlösungsstrahl dem Einfluss der Schwerkraft folgend in den Einlass des nachfolgenden Moduls fällt. Hierbei ist es vorteilhaft, den Moduleinlass des nachfolgenden Moduls so auszugestalten, dass der Strahl möglichst vollständig aufgefangen und in das Modulinnere geleitet wird. Hierfür kann beispielsweise ein Trichter, etwa ein kegelstumpfförmiger Trichter, am Einlass vorgesehen sein.
Eine dritte und im Rahmen vorliegender Erfindung bevorzugte Möglichkeit der Verbindung ist es, Einlässe und Auslässe der benachbarten Module über Rohrleitungen strömungstechnisch zu koppeln. Hierdurch sind eine größere Zahl von herkömmlichen Anordnungsmöglichkeiten der Module eröffnet und es besteht auch die Möglichkeit den Einlass eines Moduls mit den Auslässen mehrerer vorangehender Module, oder umgekehrt den Auslass eines Moduls mit den Einlässen mehrerer nachfolgender Module zu verbinden, indem sich verzweigende Rohrleitungsstücke eingesetzt werden.
Bei der bevorzugten linearen strömungstechnischen und räumlichen Anordnung quaderförmiger Module werden benachbarte Module bevorzugt über 180° Umlenkleitungssegmente miteinander gekoppelt.
Die Befestigung der Module kann, wie bereits erwähnt, dadurch erfolgen, dass sie sich an nicht berührenden Module mittels eines Spanngurtes, entweder eines Textil- oder eines Metallbandes zusammengefasst und gegeneinander gepresst werden. Alternativ oder zusätzlich können an einer Seite der Module, bevorzugt am Boden der Module auf der Außenseite Kopplungsschienen vorgesehen sein, welche die Befestigung an einen Rahmen oder direkt am Boden der Produktionsstätte ermöglichen.
Weiterhin alternativ oder zusätzlich können die sich berührenden, räumlich benachbarten Module auch mechanisch an den sich berührenden Seiten miteinander gekoppelt sein. Dies kann entweder durch Steckverbindungen, oder durch Nut- und Federverbindungen oder eine ähnliche, dem Fachmann hinlänglich bekannte mechanische Verbindungsmöglichkeiten geschehen.
Es wird bevorzugt, wenn die Anordnung der Trennwände im Inneren der Module derart erfolgt, dass sich eine vertikal mäandernde Strömung ausbildet. Hierzu wird es vorgeschlagen, die Trennwände alternierend am Boden und an der Decke zu befestigen, wobei die oberen, an der Decke befestigten Trennwände nicht ganz bis zum Boden und gleichermaßen die unteren, am Boden befestigten Trennwände nicht ganz bis zur Decke reichen, oder zumindest jede der Trennwände eine Durchgangsöffnung zum Durchtritt des Nährlösungsflüssigkeitsstrom aufweist. Hierdurch wird der durch den Moduleinlass eintretenden Nährlösungsströmung gezwungen, auf einem alternierenden Strömungspfad mit Umkehrpunkten, welche durch die Oberkante bzw. Unterkante der Trennwände bzw. deren Durchtrittsöffnungen definiert sind, zum Modulauslass zu strömen.
Moduleinlass und Modulauslass sind bevorzugt auf gleicher Höhe. Insbesondere sind sie nahe der Decke eines Moduls angeordnet.
Bei der bevorzugten Trennwandanordnung sind insbesondere die oberen Trennwände zumindest teilweise herausziehbar oder ganz herausnehmbar gestaltet. Dies kann etwa dadurch erreicht werden, dass die Trennwände in Schienen geführt sind, welche paarweise einander gegenüberliegend an der Seiteninnenwand des Moduls sich in vertikaler Richtung erstreckend angebracht sind.
Jedes Modul verfügt bevorzugt über mindestens eine Beleuchtungsquelle in Form einer LED-Schiene. Sofern herausnehm- oder herausziehbarer Trennwände vorhanden sind, sind diese bevorzugt an einer sich entlang der Decke des Moduls erstreckenden LED-Schiene befestigt, sodass alle gleichzeitig durch ziehen an der LED-Schiene herausgezogen oder herausgenommen werden können.
Weiterhin bevorzugt ist der Modulboden zumindest eines, insbesondere aller, Module zumindest teilweise transparent, so dass auch durch den Modulboden Licht zur Förderung des Mikroalgenwachstums in das Modul eintreten kann. Für diese Ausführungsformen ist weiterhin vorgeschlagen, alternativ oder zusätzlich zu der oberen Schiene oberhalb der Moduldecke, eine sich entlang des Modulbodens erstreckende LED Schiene vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bevorzugt eine oder mehrere Pumpen, deren Unterdruckeingang über ein oder mehrere Saugleitungen mit dem oder den Auslässen der Vorrichtung und dessen Druckausgang über ein oder mehrere Steigrohre mit dem oder den Einlässen der Vorrichtung gekoppelt sind.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend mit in Bezug auf die Figuren näher vorgestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung lediglich illustrieren und in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.
Es zeigen:

1A: Eine überhöhte perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer linearen Modulanordnung.
1B: Eine Draufsicht auf die Ausführungsformen aus 1A.
1C: Eine Ansicht auf die Ausführungsform aus 1A von schräg unten.
2A: Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Moduls mit quaderförmigem Gehäuse.
2B: Einen schematischen Längsschnitt durch das Modul aus 2A, welches in der Ausführungsform der Vorrichtung nach den 1A -1C verwendet ist.
3: Aus einer überhöhten Perspektive, eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen modularen Mikroalgenproduktionsanlage verwendbaren Moduls mit einem durch eine longintudinale Zwischenwand unterteilten Innenraum.
4: Eine schematische Übersicht über eine Mikroalgenproduktionsanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die 1A-1C zeigen drei verschiedene Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wie dargestellt ist das Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 aus einer Vielzahl quaderförmiger Module 3 aufgebaut, welche hintereinander angeordnet sind, sodass sich benachbarte Module mit ihren großen Stirnseiten berühren. Die Module sind über 180° Umlenkleitungen 43 strömungstechnisch miteinander gekoppelt, sodass der Nährstofflösungsstrom aus einem Modulauslass 33 eines vorangehenden Moduls 3 in den Moduleinlass 32 eines nachfolgenden Moduls 3 übertreten kann. Ein Anfangsmodul 3' hat einen Moduleinlass 32', welcher über eine Steigleitung von einer Pumpe 4 versorgt wird und mit dem Einlass 22 der Vorrichtung 1 als Ganzes identisch ist. Der Modulauslass eines Endmoduls 3" der linearen Modulanordnung der Vorrichtung 1 ist über eine Saugleitung 42 an den Niederdruckeingang der Pumpe 4 angeschlossen. Entlang der Oberseite jedes der Module 3, 3', 3" erstreckt sich eine LED-Schiene als Beleuchtungsquelle. Zusätzlich ist, wie in 1C erkennbar, auf der Unterseite jedes Moduls eine zweite, untere LED Schiene 38 angebracht.
Die 2A und 2B zeigen eine detailliertere Ansicht eines Moduls der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus den 1A - 1C.
Das Modul 3 hat ein Gehäuse 31 mit zwei großen Seitenwänden 311, einem Boden 312 und einer offenen Decke 313 sowie kleinen Stirnseiten 314, in welchen in einem Bereich nahe der Decke jeweils ein Zugang 301 zum Gehäuseinneren 30 angeordnet ist. Der Zugang 301 besteht aus einer durchgängigen Öffnung 300 und einen diesen umgebenden Flansch 302. Die Durchgänge 301, von denen nur der vordere in der Abbildung sichtbar ist, werden bei Zusammensetzung der einzelnen Module zur erfindungsgemäßen Vorrichtung als Moduleinlass 32 bzw. Modulauslass 33 verwendet, was in 2B erkennbar ist.
In einem über dem Boden 312 überstehenden Bereiche der Seitenwände 311 gebildeten Zwischenraum sind neben einer unteren LED-Schiene 38 als erste Beleuchtungsquelle Befestigungsmittel vorhanden, mittels der das Modul am Untergrund oder an einem Halterahmen festlegbar ist. Entlang der Decke 313 des Moduls 3 erstreckt sich eine obere LED-Schiene 39 als Beleuchtungsquelle. Die oberen Trennwände 36, welche, wie aus 2B ersichtlich, nicht ganz bis zum Boden 312 reichen, sind an der LED-Schiene 39 befestigt und können so alle gemeinsamen aus dem Modul (103) herausgezogen werden, um dieses etwa für Reinigungs- oder Wartungszwecke zugänglich zu machen. Im Boden 312 ist an der Unterseite der Ablasshahn 315 angebracht, um den Inhalt des Moduls 3 ablassen zu können.
Die unteren Trennwände 35 erstrecken sich bis zur Decke 313 und weisen zur Ermöglichung des Durchtritts der Nährstofflösung jeweils eine Öffnung 350 in ihrem oberen Bereich auf. Durch die alternierend angebrachten oberen Trennwände 36 und die unteren Trennwände 35 bilde sich die in 2B durch die gekrümmten Pfeile angedeutete vertikal mäandernde Nährstofflösungsströmung vom Moduleinlass 32 durch das Modulinnere 30 zum Modulauslass 33 aus.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen modularen Mikroalgenproduktionsanlage verwendbaren Moduls in Form eines Doppelmoduls mit einem durch eine longitudinale Zwischenwand unterteilten Innenraum.
Das Modul 3 ähnelt in seinem Aufbau der Ausführungsform aus den 2, und hat ein Modulgehäuse 31 mit größen Seitenwänden kleinen Seitenwänden 314 (Stirnwände), jedoch ist es von etwa der doppelten Breite und sein Innenraum ist durch eine parallel zu den großen Seitenwänden 311 mittig zwischen diesen angeordnete Zwischenwand 37 in zwei Halbvolumina aufgeteilt. Jedes von dieser Halbvolumina ist von durchgehenden Trennwänden 36' und Schotten 35 so unterteilt, dass eine im Inneren strömenden Flüssigkeit ein vertikal mäandernder Strömungspfad vorgegeben ist. Die Trennwände 36 sind hierbei feststehend, während die Schotten 35, welche jeweils in ihrem oberen Bereich eine Durchgangsöffnung aufweisen, beweglich sind und nach oben aus dem Inneren des Gehäuses 31 herausgezogen werden können.
Die Halbvolumina stehen über eine Öffnung 370 in einem oberen Bereich der Zwischenwand 37 in fluider Kommunikation. Eine Nährlösungsströmung kann durch den Einlass 32, welcher zum Anschluss von Rohrleitungen ein Einlassflansch 320 aufweist, in das hintere Halbvolumen ein- und nach Durchlaufen dieses Halbvolumens über die Öffnung 370 in das vordere Halbvolumen übertreten. Nachdem sie auch dieses mäandernd durchströmt hat kann sie wieder durch den Auslass 33 mit Ausflassflansch 330 aus dem Modul 3 austreten. Die Funktionen von Ein- und Auslass und damit die Strömungsrichtung sind umkehrbar. Dadurch, dass Ein- und Auslass an der gleichen (Stirn-)Seite des Moduls 3 angeordnet sind ergeben sich, alleine oder zusammen mit Modulen gemäß der Ausführungsform nach den 2, vielseitigere Möglichkeiten, die Module zu einer erfindungsgemäßen Mikroalgenproduktionsanlage zusammenzuschalten. Als weiterer Vorteil werden bei einer linearen Anordnung wie der in den 1 gezeigten werden nur noch halb soviele 180°-Umlenkleitungen benötigt.
In 4 ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen einer Mikroalgenproduktionsanlage schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird über einen Einlass 22 mit der Nährstofflösung versorgt, welche die Vorrichtung 1 durchströmt und aus dem Auslass 23 austritt. Über einen Frischwassereinlass 29 kann frisches Wasser zugeführt werden, um die Nährstoff- und Algenkonzentration für einen gewünschten Wert einzustellen. Der Nährstofflösungskreislauf wird durch die Pumpe 4 aufrechterhalten. Hinter der Pumpe 4 verzweigt sich der Nährstofflösungsstrom in einen Teil, der zurück in die Vorrichtung 1 geleitet, und einen Teil, der über einen Zwischenbehälter 5 in den Vorkonzentrator 6 geleitet wird.
Dort werden die produzierten Mikroalgen von der Nährstofflösung getrennt und die geklärte Nährstofflösung wird über die UV-Anlage 7 zurück in die Vorrichtung 1 geleitet. Die abgeschiedenen Mikroalgen aus der VK 6 werden der Extraktion 11 zugeführt. Hier werden die Mikroalgen in Proteine und Öl getrennt. Die Proteine werden in Anlage 8 getrocknet und schließlich über Station 9 verpackt. Die extrahierten Öle werden in Flaschen abgefüllt, Abfüllstation 12, und ebenfalls über Station 9 verpackt. Nur bei der Ernte wird der Nährstofflösungsstrom hinter der Pumpe 4 über einen Zwischenbehälter 5 in den Vorkonzentrator VK 6 geleitet.
Die entnommene Nährstofflösung wird durch Frischwasser ausgeglichen. Die von den Sensoren 10 erfassten Werte für die Konzentrationen von CO₂, Dünger sowie des pH-Wertes werden von einer Prozesssteuerung verwendet, um die Zugabe von CO₂ und Dünger sowie von NaOH zur Einstellung des gewünschten pH-Wertes, zu regeln.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
22: Einlass
23: Auslass
29: Frischwassereinlass
3: Modul
3': Anfangsmodul
3'': Endmodul
30: Modulinnenraum
300: Zugangsöffnung
301: Zugang
302: Zugangsflansch
31: Modulgehäuse
32, 32', 32": Moduleinlass
320: Einlass-Flansch
33, 33', 33": Modulauslass
330: Auslass-Flansch
31: Modulgehäuse
311: große Seitenwand
312: Modulboden
313: Moduldecke
314: kleine Seitenwand
315: Ablasshahn
35: untere Trennwand
350: Durchgangsöffnung in 35
35': bewegliches Schott mit Öffnung
36: obere Trennwand
36': feste Trennwand
37: Zwischenwand
370: Durchlassöffnung in 37
4: Pumpe
41: Steigleitung
42: Saugleitung
43: Umlenkleitungssegment
5: Zwischenbehälter
6: Vorkonzentrator
7: UV-Anlage
8: Trocknungsanlage
9: Verpackungsanlage
10: Sensoren
11: Extraktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008026829 A1 [0006]
WO 2015/032389 A1 [0006]
WO 102016123980 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Mikroalgen (Phytoplankton), umfassend - ein Gehäuse (2) mit mehreren Gehäuseseiten, nämlich einem Boden, drei oder mehr Seitenwänden und einer Decke, welche zwischen sich einen Gehäuseinnenraum definieren, - der mittels einer Mehrzahl alternierend angebrachter Trennwände (35, 36), welche jeweils Innenwandungen des Gehäuses (2) mit höchsten drei ihrer Seiten berühren oder mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, derart unterteilt ist, dass einer in dem Gehäuseinneren von einem Einlass (22) zu einem Auslass (23) des Gehäuses (2) fließenden Nährlösung ein mäandernder Strömungspfad vorgegeben ist, - wobei die Nährlösung durch den Einlass (22) in das Gehäuseinnere ein und aus dem Auslass (23) aus dem Gehäuseinneren (20) wieder herausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorrichtung (1) aus zwei oder mehr Modulen (3, 3', 3") besteht, von denen jedes über ein eigenes Modulgehäuse (31) verfügt und wobei jede der Trennwände (35, 36) einem Modul (3, 3', 3") zugeordnet ist, und - jedes Modul (3, 3', 3") mit einer Seite seines Gehäuses (31) ein benachbartes Modul berührt, und - jeweils ein Moduleinlass (32, 32') vorhanden ist, der entweder der Einlass (22) ist oder an einen Modulauslass (33, 33') eines oder mehrerer vorausgehender benachbarter Module (3, 3') gekoppelt ist, so dass der gesamte oder ein Teil des Nährlösungsstroms aus dem/n vorausgehenden benachbarten Modul/en in das Modul (3, 3") übertreten kann, und - ein Modulauslass (33, 33") vorhanden ist, der entweder der Auslass (23) ist oder mit dem Moduleinlass (32) mindestens eines nachfolgenden benachbarten Moduls (3, 3") gekoppelt ist, so dass der gesamte oder ein Teil des Nährlosungsstroms aus dem Modul (3, 3') in das nachfolgende benachbarte Modul (3, 3") übertreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Module (3, 3', 3"), insbesondere alle Module, gleichartig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine strömungstechnische Reihenschaltung, bei der jedes Modul (3, 3") mit Ausnahme eines ersten Moduls (3') genau ein vorausgehendes benachbartes Modul (3, 3') hat und der Moduleinlass (32') des ersten Moduls (3') der Einlass (22) ist, und alle Module (3) mit Ausnahme eines letzten Moduls (3") genau an ein nachfolgendes benachbartes Modul (3, 3") gekoppelt ist, und der Modulauslass (33") des letzten Moduls (32) der Auslass (23) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine räumliche Hintereinanderanordnung der Module (3, 3', 3").
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Module (3, 3', 3"), insbesondere alle Module, ein quaderförmiges Modulgehäuse (31) aufweisen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Module (3, 3', 3") an ihren großen Stirnseiten (311) berühren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung eines der Modulauslässe (33, 33') mit dem/n Moduleinlass/-lässen nachfolgender benachbarter Module (3', 3") und/oder die Kopplung des Moduleinlasses (32, 32") mit dem/n Moduleinlass/-lässen vorausgehender benachbarter Module (3, 3') - mittels Rohrleitungssegmenten, insbesondere bogensegmentförmige Umlenkleitungen, bevorzugt 180° Umlenkleitungen (43), oder - direkt, indem Einlass und Auslass unmittelbar aneinanderstoßen, - oder über einen freien Nährlösungsstrahl, welcher unter Druck aus einem Modulauslass austritt und der Schwerkraft folgend in einen darunter angeordneten Moduleinlass eintritt erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Module (3, 3', 3") zu dem Gehäuse (2) der Vorrichtung (1) erfolgt indem die Module (3, 3', 3") - auf einer einem Rahmen oder einem Untergrund, insbesondere mittels Schienen, befestigt, und/oder - an den sich berührenden Seiten (311) miteinander mechanisch gekoppelt, und/oder - von einem Spanngurt zusammengehalten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad im Modulinneren (30) mindestens eines, insbesondere aller, Module (3, 3', 3") vertikal mäandernd verläuft, indem die Trennwände alternierend am Boden des Moduls (3, 3', 3") befestigte untere Trennwände (35), und an der Decke des Moduls (3, 3', 3") befestigte oberen Trennwänden (36) umfassen, wobei die oberen Trennwände (36) teilweise herausziehbar oder ganz herausnehmbar ausgestaltet sind, insbesondere in einander paarig gegenüberliegend an den Seitenwänden des Moduls (3) angebrachter, sich in vertikale Richtung sich erstreckenden Schienen geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Module (3, 3', 3") über mindestens eine Beleuchtungsquelle (38, 39) verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eines, insbesondere alle Module als Beleuchtungsquellen über eine oberhalb der Moduldecke (313) verlaufende obere LED-Schiene (39) und/oder über eine unterhalb des Modulbodens (312) verlaufende untere LED-Schiene (38) verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Trennwände (36) an der oberen LED-Schiene (39) befestigt und hierdurch simultan herausziehbar und/oder herausnehmbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe (4) mit einem Unterdruckeingang, der über ein Saugrohr (41) an den Auslass (23) und einem Hochdruckausgang, derüber ein Steigrohr (42) an den Einlass (22) gekoppelt ist.
Modul zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-13, gekennzeichnet durch ein Modulgehäuse (31) mit einem Moduleinlass (32) und einem Modulauslass (33) sowie einem Modulboden (312), Modulseitenwänden (311, 314) und einer Moduldecke (313), welche einen Modulinnenraum (30) umschließen, wobei der Modulinnenraum durch Trennwände (35, 36), welche jeweils eine Innenwandung des Moduls an höchstens drei Seiten berühren oder eine Durchgangsöffnung aufweisen, so unterteilt ist, dass eine den Modulinnenraum (30) vom Moduleinlass (32) zum Modulauslass (33) durchströmende Nährlösung auf einem mäandernden Pfad geführt ist, und wobei Moduleinlass und Modulauslass an verschiedenen Seiten (311, 312, 313, 314) des Modulgehäuses (31) angeordnet sind.
Modul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (31) quaderförmig ist und der Moduleinlass (32) und der Modulauslass (33) an gegenüberliegenden Stirnseiten des Modulgehäuses (31) angeordnet sind.
Modul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das quaderförmigen Modulgehäuse (31) - lange Seiten hat, die eine Länge von zwischen 10 und 200 cm, insbesondere zwischen 20 und 60 cm aufweisen, - mittlere Seiten hat, die zu den langen Seiten im Verhältnis zwischen 1:1 und 1:3, insbesondere 2:3, stehen, und - kurze Seiten hat, die zu den mittleren Seiten im Verhältnis 1:1 und 1:10, insbesondere 1:4 stehen.